中心論題：

• 普通嵌入式系統的供電方式。
• 同步降壓型轉換器的改進(jìn)。
• 綠色電源技術(shù)簡(jiǎn)介。

• 多相工作減小輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的RFI特征。
• PWM可橫跨多個(gè)數量級的負載電流范圍內實(shí)現高效運作。
• 對電源轉換效率影響最小的方式提高開(kāi)關(guān)頻率提高電源性能。

大多數嵌入式系統都是由48V背板供電的。這個(gè)電壓通常要降至較低的24V、12V或5V的中間總線(xiàn)電壓，以向系統內的電路板支架供電。然而，這些電路板上的大多數分支電路或集成電路要求在低于1～3.3V的電壓范圍內工作，電流范圍為數十mA至數十A。因此，需要負載點(diǎn)(POL)DC/DC轉換器將24V、12V或5V電壓軌降至這些分支電路或集成電路所需的電壓和電流值。

由電池供電的便攜式產(chǎn)品制造商也面臨著(zhù)日益增大的壓力，他們要將更多功能塞進(jìn)外形尺寸已經(jīng)受限的產(chǎn)品中，同時(shí)還要獲得更長(cháng)的電池工作時(shí)間。例如，大多數便攜式媒體播放器(PMP)都有視頻和MP3播放功能。因此，內部電子電路需要多種具有不同功率級的低壓輸出軌。很明顯，導致這一結果的主要原因是，大多數大規模數字集成電路的工作電壓是 1.2V或更低，而同時(shí)存儲器和I/O電壓需求可能在2.2～3.3V之間。這樣，直接對鋰離子電池使用多個(gè)單POL DC/DC轉換器越來(lái)越不實(shí)用了，因此系統設計師正在采用更加集成化的方法。

與傳統線(xiàn)性穩壓器相比，同步降壓型轉換器在電池工作時(shí)間上有極大改進(jìn)，因為它提高了轉換效率。這類(lèi)轉換器一般具有95%的轉換效率，而且幾乎無(wú)須任何散熱措施。然而，這種高效率是以占用更多電路板空間為代價(jià)的，因為每個(gè)通道都要增加一個(gè)電感器，因此保持最小總體解決方案占板面積極其重要。通過(guò)將多個(gè)通道整合到一個(gè)同步降壓型解決方案中，這些通道就可以全部用一個(gè)輸入電容器工作，從而可保持解決方案占板面積最小。

為什么需要綠色電源
最近，“綠色環(huán)保”概念廣為流行，在新聞媒體中有大量報道。結果，大多數工業(yè)化國家普遍接受了需要節約能源這一觀(guān)點(diǎn)。這是因為，隨著(zhù)這些國家人口的增加，他們對能源的需求也增加了，他們需要給新房子的加熱/冷卻系統、照明和家用電器供電。不僅建立新的發(fā)電設施耗費大量金錢(qián)，電能產(chǎn)生后向用戶(hù)供電的成本也很高。據觀(guān)察，與建立新的發(fā)電設施相比，將大多數家用電器的電流能耗降低15%～20%是更經(jīng)濟的做法。

由于建立新的發(fā)電設施成本很高，因此很多國家已經(jīng)采用了所謂的“綠色政策”，以此鼓勵制造商在最終產(chǎn)品中納入節能技術(shù)。在這種政策激勵下，很多電源管理產(chǎn)品供應商在提高產(chǎn)品電源轉換效率和降低產(chǎn)品在備用模式時(shí)的功耗方面取得了很大進(jìn)步。
 
就用于節能型DC/DC轉換器的電源管理集成電路而言，必須具有兩個(gè)主要特點(diǎn)。首先，必須在寬負載電流范圍內具有非常高的轉換效率。其次，在備用和停機模式時(shí)必須有低靜態(tài)電流。
 
就很多嵌入式系統而言，在電壓日益降低的情況下不斷提高電流這種需求，繼續推動(dòng)著(zhù)電源統的發(fā)展。在這一領(lǐng)域取得的很多進(jìn)步都可以追溯到電源轉換技術(shù)領(lǐng)域取得的成果，尤其是電源集成電路和電源半導體的改進(jìn)?？偟膩?lái)說(shuō)，這些組件允許以對電源轉換效率影響最小的方式提高開(kāi)關(guān)頻率，為提高電源性能做出了貢獻。能夠做到提高開(kāi)關(guān)頻率并對效率影響最小，靠的是降低開(kāi)關(guān)和接通狀態(tài)損耗以及容許高效率地去除熱量。不過(guò)，向較低輸出電壓遷移給這些因素帶來(lái)了更大的壓力，這又導致了極大的設計難題。
 
多相工作被認為是用于轉換拓撲的一般性術(shù)語(yǔ)，在這些拓撲中，用兩個(gè)或更多轉換器處理單個(gè)輸入，轉換器相互同步，但以不同的鎖定相位工作。這種方法減小了輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的RFI特征，同時(shí)在輸出電壓完全穩定的情況下允許單個(gè)大電流輸出或多個(gè)較低電流輸出。就用一個(gè)單片器件提高輸出電流能力而言，它還允許使用較小的外部組件，因為多個(gè)較小的MOSFET可以非常容易地“在芯片上”制造出來(lái)。
 

盡管降壓型轉換器應用更加普遍，但是多相拓撲可以配置成降壓、升壓甚至是正激式。今天，從12V輸入至1.xV輸出的轉換效率高達95%是尋常之事。此外，通過(guò)運用一種脈沖跳躍、脈寬調制(PWM)技術(shù)，還可以輕松地在橫跨多個(gè)數量級的負載電流范圍內實(shí)現高效運作。這還有一個(gè)附帶的好處，即向負載提供小電流時(shí)能夠獲得低靜態(tài)電流。通常情況下靜態(tài)電流在幾十μA范圍內。
 
用于嵌入式系統的方案與用于電池供電的手持式設備的方案沒(méi)有太大不同，可能的例外是，很多便攜式應用對組件高度有嚴格限制。這可能成為電源轉換器的難題，因為電感器和濾波電容器通常屬于最高的組件。然而，多相架構非常適用于這類(lèi)應用，組件高度甚至降低到僅為1.5mm。
 
不同模擬集成電路供應商提供的很多單片多相轉換器與可比較的單相轉換器相比，尺寸會(huì )更小，高度更低，能以更高效率和更低輸出紋波提供超過(guò)10W的輸出功率。
 
例如，考慮單片、同步、高開(kāi)關(guān)頻率(每相高達2MHz)、四相電源集成電路架構。這類(lèi)產(chǎn)品的一個(gè)例子是LTC3425，如圖1所示。它允許使用多個(gè)體積小、成本低的電感器，而不是單個(gè)又大、又笨重的電感器，而且與同類(lèi)單相電路相比，需要少得多的輸出濾波器電容，因為有效的輸出紋波頻率高達8MHz。此外，所需的全部功率MOSFET都在芯片內。這非常適用于需要使用扁平組件以及空間受限的電路板和便攜式設備。

另外，用多相方法設計轉換器與設計傳統單相轉換器沒(méi)有不同。所有電源開(kāi)關(guān)都在內部，因此四相工作是透明的。所有四相的限流值和開(kāi)關(guān)頻率都可以非常容易地用單個(gè)電阻編程，就像在單相設計中一樣。類(lèi)似地，輸出電壓設置和環(huán)路補償與其他熟悉的DC/DC轉換器設計也沒(méi)有不同。
 
這種類(lèi)型POL轉換器的同步四相架構在寬負載范圍內實(shí)現了高效率，同時(shí)允許使用扁平的組件。最后，由于輸出紋波電流以4:1的比例降低，因此用小尺寸和較低成本的陶瓷電容器就可實(shí)現非常低的輸出電壓紋波。

結語(yǔ)
由于在機箱內空間有限和冷卻等多種限制因素，以及需要正確的電源跟蹤，以提高系統可靠性，幾乎任何系統的POL DC/DC轉換器設計師都面臨著(zhù)很多難題。盡管必須克服大量限制因素，設計師們還是有路可走的，不同模擬集成電路制造商最近推出的很多穩壓器，可提供簡(jiǎn)單、緊湊、高效率和功能豐富的解決方案。